高考生物一轮复习考点过关练习第3单元　加强提升课(2)　辨析“三率”及“三率”测定的5种实验模型 (含解析)

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[重点突破]
1．方法
2．相关计算
植物的光合作用与细胞呼吸同时进行时，存在如下关系：
(1)光合作用实际产氧量(叶绿体产氧量)＝实测植物氧气释放量＋细胞呼吸耗氧量。
(2)光合作用实际CO2消耗量(叶绿体消耗CO2量)＝实测植物CO2消耗量＋细胞呼吸CO2释放量。
(3)光合作用葡萄糖净生产量(葡萄糖积累量)＝光合作用实际葡萄糖生产量(叶绿体产生或合成的葡萄糖量)－细胞呼吸葡萄糖消耗量。
[突破训练]
1．适宜的温度和一定的CO2浓度等条件下，某同学对甲、乙两种高等植物设计实验，测得的相关数据如下表。下列说法错误的是( )
注：光照强度单位为klx；CO2吸收量或释放量单位为mg/(100 cm2·h)。
A．本实验中，适宜的温度和一定的CO2浓度属于无关变量
B．光照强度为1 klx时，甲植物叶肉细胞的叶绿体中ATP由叶绿体基质移向类囊体薄膜
C．光照强度为3 klx时，甲、乙两植物固定CO2速率的差为1.5 mg/(100 cm2·h)
D．甲、乙两植物相比较，甲植物更适合在弱光下生长
解析：选B。本实验中，适宜的温度和一定的CO2浓度属于无关变量，光照强度为自变量，A正确；光照强度为1 klx时，甲植物光合速率与呼吸速率相等，叶绿体中ATP产生于类囊体薄膜，消耗于叶绿体基质，因此叶绿体中ATP由类囊体薄膜移向叶绿体基质，B错误；光照强度为3 klx时，甲的真正光合速率＝11＋5.5＝16.5 mg/(100 cm2·h)，而乙的真正光合速率＝15 mg/(100 cm2·h)，因此甲、乙两植物固定CO2速率的差＝16.5－15＝1.5 mg/(100 cm2·h)，C正确；甲、乙植物比较，甲植物更适合在弱光下生长，这是因为甲植物光合速率与呼吸速率相等时的光照强度和光合速率达到最大值时的最小光照强度均比较小，D正确。
2．将生长状况相同的某种植物的叶片分成4等份，在不同温度下分别暗处理1 h，再光照1 h(光照强度相同)，测其有机物变化，得到如图数据。下列说法正确的是( )
A．该植物在27 ℃时生长最快，在29 ℃和30 ℃时不表现生长现象
B．该植物呼吸作用和光合作用的最适温度在所给的4个温度中都是29 ℃
C．在27 ℃、28 ℃和29 ℃时光合作用制造的有机物的量相等
D．30 ℃时光合作用制造的有机物与呼吸作用消耗的有机物都是1 mg/h
解析：选B。暗处理后有机物减少量代表呼吸速率，4个温度下分别为1 mg/h、2 mg/h、3 mg/h、1 mg/h，光照后与暗处理前的有机物增加量代表1 h光合作用制造有机物量和2 h呼吸作用消耗有机物量的差值，所以4个温度下总光合速率(有机物制造量)分别为5 mg/h、7 mg/h、9 mg/h、3 mg/h。该植物在29 ℃时生长最快，4个温度下都表现生长现象；该植物在29 ℃条件下制造的有机物的量最多；该植物在30 ℃条件下光合作用制造的有机物为3 mg/h，呼吸作用消耗的有机物为1 mg/h。
突破二 “三率”测定的5种实验方法
[重点突破]
1．气体体积变化法——测光合作用O2产生、CO2消耗的体积
(1)装置中溶液的作用：在测细胞呼吸速率时NaOH溶液可吸收容器中的CO2；在测净光合速率时NaHCO3溶液可提供CO2，保证了容器内CO2浓度的恒定。
(2)测定原理
①在黑暗条件下甲装置中的植物只进行细胞呼吸，由于NaOH溶液吸收了细胞呼吸产生的CO2，所以单位时间内红色液滴左移的距离表示植物吸收O2的速率，可代表呼吸速率。
②在光照条件下乙装置中的植物进行光合作用和细胞呼吸，由于NaHCO3溶液保证了容器内CO2浓度的恒定，所以单位时间内红色液滴右移的距离表示植物的O2释放速率，可代表净光合速率。
③真正光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。
(3)测定方法
①将植物(甲装置)置于黑暗中一定时间，记录红色液滴移动的距离，计算呼吸速率。
②将同一植物(乙装置)置于光下一定时间，记录红色液滴移动的距离，计算净光合速率。
③根据呼吸速率和净光合速率可计算得到真正光合速率。
(4)物理误差的校正：为防止气压、温度等物理因素所引起的误差，应设置对照实验，即用死亡的绿色植物分别进行上述实验，根据红色液滴的移动距离对原实验结果进行校正。
2．“黑白瓶”——测透光、不透光两瓶中氧气的剩余量
“黑瓶”不透光，测定的是有氧呼吸量；“白瓶”透光，给予光照，测定的是净光合作用量。“黑白瓶”试题是一类通过净光合作用强度和有氧呼吸强度推算总光合作用强度的试题。一般规律如下：
(1)总光合作用量(强度)＝净光合作用量(强度)＋有氧呼吸消耗量(强度)。
(2)有初始值的情况下，黑瓶中氧气的减少量(或二氧化碳的增加量)为有氧呼吸量；白瓶中氧气的增加量(或二氧化碳的减少量)为净光合作用量；二者之和为总光合作用量。
(3)没有初始值的情况下，白瓶中测得的现有量－黑瓶中测得的现有量＝总光合作用量。
3．“半叶法”——测光合作用有机物的产生量
半叶法的原理：植物进行光合作用形成有机物，而有机物的积累可使叶片单位面积的干重增加，但是，叶片在光下积累光合产物的同时，还会通过输导组织将同化物运出，从而使测得的干重积累值偏低。为了消除这一偏差，必须将待测叶片的一半遮黑，测量相同时间内叶片被遮黑的一侧单位面积干重的减少值，作为同化物输出量(或呼吸消耗量)的估测值。
“改良半叶法”采用烫伤、环割或化学试剂处理等方法来损伤叶柄韧皮部活细胞，以防止光合产物从叶中输出(这些处理几乎不影响木质部中水和无机盐向叶片的输送)，仅用一组叶片，且无须将一半叶片遮黑，既简化了实验过程，又提高了测定的准确性。
4．叶圆片称重法——测定有机物的变化量
本方法通过测定单位时间、单位面积叶片中淀粉的生成量测定光合速率，如图所示以有机物的变化量表示(S为叶圆片面积)。
净光合速率＝(z－y)/2S；
呼吸速率＝(x－y)/2S；
总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率＝(x＋z－2y)/2S。
5．间隔光照法——比较有机物的合成量
光反应和暗反应在不同酶的催化作用下相对独立进行，由于催化暗反应的酶的催化效率和数量都是有限的，因此在一般情况下，光反应的速率比暗反应快。持续光照，光反应产生的大量的[H]和ATP不能及时被暗反应消耗，暗反应限制了光合作用的速率，降低了光能的利用率。但若光照、黑暗交替进行，则黑暗间隔有利于充分利用光照时积累的光反应的产物，持续进行一段时间的暗反应。因此在光照强度和光照时间不变的情况下，制造的有机物相对多。
[突破训练]
3．(2020·安徽太和一中高三预测押题)某兴趣小组设计了如右图所示的实验装置若干组，室温25 ℃下进行了一系列的实验，下列对实验过程中装置条件及结果的叙述，错误的是( )
A．若X溶液为CO2缓冲液并给予光照，液滴移动距离可表示净光合作用强度的大小
B．若要测真光合强度，需另加设一装置遮光处理，X溶液为NaOH溶液
C．若X溶液为清水并给予光照，光合作用大于细胞呼吸时，液滴右移
D．若X溶液为清水并遮光处理，消耗的底物为脂肪时，液滴左移
解析：选C。当装置给予光照时，装置内植物既进行光合作用也进行呼吸作用，CO2缓冲液可保持装置内CO2浓度不变，液滴移动距离即表示净光合作用产生O2的多少，A正确；真光合速率＝净光合速率＋呼吸速率，测呼吸速率需另加设一装置遮光处理(不能进行光合作用)，为去除有氧呼吸产生CO2的干扰，将X溶液更换为NaOH溶液，那么测得液滴移动的距离即为有氧呼吸消耗O2的量，B正确；若X溶液为清水并给予光照，装置内植物光合作用吸收的CO2量＝释放O2量，植物有氧呼吸吸收的O2量＝释放的CO2量，液滴不移动，C错误；若X溶液为清水并遮光处理，植物只进行有氧呼吸，但由于消耗的底物为脂肪，其消耗O2的量大于产生CO2的量，液滴向左移动，D正确。
光合作用和细胞呼吸实验探究中常用实验条件的控制
(1)增加水中O2——泵入空气或吹气或放入绿色水生植物。
(2)减少水中O2——容器密封或油膜覆盖或用凉开水。
(3)除去容器中CO2——氢氧化钠溶液。
(4)除去叶中原有淀粉——置于黑暗环境中。
(5)除去叶中叶绿素——酒精隔水加热。
(6)除去光合作用对呼吸作用的干扰——给植株遮光。
(7)如何得到单色光——棱镜色散或薄膜滤光。
(8)线粒体提取——细胞匀浆离心。
4．(2020·河北景县调研)下表是采用黑白瓶(不透光瓶—可透光瓶)测定的夏季某池塘不同深度水体中初始平均氧浓度与24小时后平均氧浓度，并进行比较计算后的数据。下列有关分析正确的是( )
A．水深1 m处白瓶中水生植物24小时制造的O2为 3 g/m3
B．水深2 m处白瓶中水生植物不能进行水的光解但能进行C3的还原
C．水深3 m处白瓶中水生植物产生ATP的细胞器是叶绿体和线粒体
D．水深4 m处白瓶和黑瓶中的水生植物均不进行光合作用
解析：选C。白瓶透光，瓶内水生植物可进行光合作用和呼吸作用，黑瓶不透光，瓶内水生植物只能进行呼吸作用。在相同条件下培养一定时间，黑瓶中所测得的数据表示瓶内水生植物呼吸作用所消耗的O2量，为1.5 g/m3，白瓶中所测得的数据表示瓶内水生植物光合作用产生的O2量与呼吸作用消耗的O2量的差值。综上分析可知，在水深1 m处，白瓶中水生植物24小时制造的O2量为3＋1.5＝4.5(g/m3)，A错误；水深2 m处白瓶中水生植物能进行光合作用，也能进行水的光解和C3的还原，B错误；水深3 m处白瓶中水生植物光合作用产生的O2量与呼吸作用消耗的O2量相等，因此产生ATP的细胞器是叶绿体和线粒体，C正确；在水深4 m处，白瓶中水生植物24小时制造的O2量为－1＋1.5＝0.5(g/m3)，能进行光合作用，D错误。
5．某同学欲测定植物叶片叶绿体的光合作用速率，做了如图所示实验。在叶柄基部做环剥处理(仅限制叶片有机物的输入和输出)，在不同时间分别在同一叶片上陆续取下面积为1 cm2的叶圆片，烘干后称其重量，测得叶片的光合作用速率＝(3y－2z－x)/6[g/(cm2·h)](不考虑取叶圆片后对叶生理活动的影响和温度微小变化对叶生理活动的影响)。则M处的实验条件是( )
A．下午4时后将整个实验装置遮光3小时
B．下午4时后将整个实验装置遮光6小时
C．下午4时后在阳光下照射1小时
D．晚上8时后在无光下放置3小时
解析：选A。起始干重为上午10时移走时的叶圆片干重x g，从上午10时到下午4时，叶片在这6小时内既进行光合作用，又进行呼吸作用，所以下午4时移走的叶圆片干重(y g)减去上午10时移走时的叶圆片干重(x g)的差值，就等于该叶圆片净光合作用产生干物质的量：(y－z) g。若要求出呼吸作用干物质量，应将叶片遮光处理，先假设叶片遮光处理为a小时后干重为z g，下午4时移走的叶圆片干重y g减去叶片遮光处理a小时后的干重z g的差值，就是呼吸作用干物质量：(y－z) g。已知测得叶片的叶绿体光合作用速率＝(3y－2z－x)/6[g/(cm2·h)]，据真正光合速率＝表观光合速率＋呼吸速率，得出：(3y－2z－x)/6＝(y－z)/6＋(y－x)/a，计算出a＝3小时，A项正确。
6．某研究小组采用“半叶法”对番茄叶片的光合速率进行测定。将对称叶片的一部分(A)遮光，另一部分(B)不做处理，并采用适当的方法阻止两部分的物质和能量转移。在适宜光照下照射6 h后，在A、B的对应部位截取同等面积的叶片，烘干称重，分别记为MA、MB，获得相应数据，则可计算出该叶片的光合速率，其单位是mg/(dm2·h)。请分析回答下列问题：
(1)MA表示6 h后叶片初始质量－呼吸作用有机物的消耗量；MB表示6 h后______________＋______________－呼吸作用有机物的消耗量。
(2)若M＝MB－MA，则M表示____________________________________ 。
(3)真正光合速率的计算方法是________________________________________________________________________。
(4)本方法也可用于测定叶片的呼吸速率，写出实验设计思路。________________________________________________。
解析：叶片A部分遮光，虽不能进行光合作用，但仍可正常进行呼吸作用。叶片B部分不做处理，既能进行光合作用，又可以进行呼吸作用。分析题意可知，MB表示6 h后叶片初始质量＋光合作用有机物的总产量－呼吸作用有机物的消耗量，MA表示6 h后叶片初始质量－呼吸作用有机物的消耗量，则MB－MA就是光合作用6 h内有机物的总产量(B叶片被截取部分在6 h内光合作用合成的有机物总量)。由此可计算真正光合速率，即M值除以时间再除以面积。
答案：(1)叶片初始质量 光合作用有机物的总产量
(2)B叶片被截取部分在6 h内光合作用合成的有机物总量
(3)M值除以时间再除以面积，即M/(截取面积×时间)
(4)将测定叶片的相对应部分切割的等面积叶片分开，一部分立即烘干称重，另一部分在黑暗中保存几小时后再烘干称重，根据二者干重差即可计算出叶片的呼吸速率
7．为了探究不同光照处理对植物光合作用的影响，科学家以生长状态相同的某种植物为材料设计了A、B、C、D四组实验。各组实验的温度、光照强度和CO2浓度等条件相同、适宜且稳定，每组处理的总时间均为135 s，处理结束时测定各组材料中光合作用产物的含量。处理方法和实验结果如下：
A组：先光照后黑暗，时间各为67.5 s；光合作用产物的相对含量为50%。
B组：光照和黑暗交替处理，先光照后黑暗，每次光照和黑暗时间各为7.5 s；光合作用产物的相对含量为70%。
C组：光照和黑暗交替处理，先光照后黑暗，每次光照和黑暗时间各为3.75 ms(毫秒)；光合作用产物的相对含量为94%。
D组(对照组)：光照时间为135 s；光合作用产物的相对含量为100%。
回答下列问题：
(1)单位光照时间内，C组植物合成有机物的量________(填“高于”“等于”或“低于”)D组植物合成有机物的量，依据是__________________________________；C组和D组的实验结果可表明光合作用中有些反应不需要________，这些反应发生的部位是叶绿体的________。
(2)A、B、C三组处理相比，随着______________________的增加，使光下产生的______________________能够及时利用与再生，从而提高了光合作用中CO2的同化量。
解析：(1)C组的光合作用时间仅仅是D组的一半，但C组光合作用产物的相对含量与D组相差很少，可以判断C组单位光照时间内植物合成有机物的量高于D组。C组和D组的结果对照说明黑暗处理时也进行光合作用，即光合作用过程中某些反应不需要光照，该反应指的是暗反应，进行暗反应的场所是叶绿体基质。(2)比较A、B、C三组可以看出，三组的光照和黑暗交替频率不同，交替频率增加可使光照下产生的ATP和[H](还原型辅酶Ⅱ)及时利用和再生，从而提高光合作用中CO2的同化量。
答案：(1)高于 C组只用了D组一半的光照时间，其光合作用产物的相对含量却是D组的94% 光照 基质
(2)光照和黑暗交替频率 ATP和[H]
eq \a\vs4\al([基础达标])
1．(2020·福建厦门期末)下图为测定细胞代谢相关速率的实验装置。下列叙述正确的是( )
A．测定植株的呼吸速率时，应在黑暗条件下进行
B．测定植株的呼吸速率时，小烧杯的液体应为清水
C．直接测定植株总光合速率时，小烧杯的液体应为NaHCO3溶液
D．测定植株的净光合速率时，应在光下进行，且小烧杯的液体应为NaOH溶液
解析：选A。若要测定植株的呼吸速率，需排除光合作用的影响，实验装置应置于黑暗条件下，烧杯内的液体应为NaOH溶液，A正确，B错误；若要测定实际光合速率，则需要分别测定净光合速率和呼吸速率，测呼吸速率时烧杯内的液体应为NaOH溶液，测净光合速率时烧杯内的液体应为NaHCO3溶液，C、D错误。
2．(2020·江西九江联考)取三个玻璃瓶，两个用黑胶布包上，并包以锡箔，记为A、B瓶，另一个白瓶记为C瓶，其中B、C瓶中放入长势良好的同种植物。从待测的水体深度取水，保留A瓶以测定水中原来的溶氧量(初始值)。将B、C瓶沉入取水深度，经过一段时间，将其取出，并进行溶氧量的测定。下列叙述错误的是( )
A．有初始值的情况下，黑瓶中氧气的减少量为有氧呼吸量
B．有初始值的情况下，白瓶中氧气的增加量为净光合作用量
C．没有初始值的情况下，白瓶中测得的现有氧气量与黑瓶中测得的现有氧气量之和即总光合作用量
D．没有初始值的情况下，白瓶中测得的现有氧气量与黑瓶中测得的现有氧气量之差即总光合作用量
解析：选C。黑瓶B中的植物只能进行呼吸作用，不能进行光合作用，在有初始值的情况下，氧气的减少量为有氧呼吸量，A正确；白瓶C中的植物光合作用和呼吸作用都可进行，有初始值的情况下，白瓶中氧气的增加量为净光合作用量，B正确；黑瓶中的氧气变化量为有氧呼吸的消耗量，白瓶中的氧气变化量是光合作用与有氧呼吸的差值，因此在没有初始值的情况下，白瓶中测得的现有氧气量与黑瓶中测得的现有氧气量之差为总光合作用量，C错误，D正确。
3．(2020·福建福州高三上学期期中)图甲为研究光合作用的实验装置。用打孔器在某植物的叶片上打出多个叶圆片，再用气泵抽出气体直至叶片沉入水底，然后将等量的叶圆片转至不同浓度的NaHCO3溶液中，给予一定的光照，测量每个培养皿中叶圆片上浮至液面所用的平均时间(见图乙), 以研究光合作用速率与NaHCO3溶液浓度的关系。下列有关分析正确的是( )
A．在AB段，随着NaHCO3溶液浓度的增加，光合作用速率逐渐减小
B．在BC段，单独增加光照或温度或NaHCO3溶液浓度，都可以缩短叶圆片上浮的时间
C．因配制的NaHCO3溶液中不含氧气，所以整个实验过程中叶圆片不能进行细胞呼吸
D．在C点以后，随NaHCO3溶液浓度升高，叶肉细胞光合作用强度下降
解析：选D。AB段随着NaHCO3溶液浓度的增加，叶圆片上浮至液面所用的时间不断缩短，说明氧气生成速率不断提高，因此光合作用速率逐渐增加，A错误；无法确定题中的光照和温度是否为最适的光照强度和最适温度，若BC段单独增加光照强度或温度，光合速率的变化无法预测，叶圆片上浮至液面的时间也无法确定，B错误；光合作用产生氧气，叶肉细胞可以进行有氧呼吸，C错误；C点以后叶圆片上浮至液面所用的时间不断增加，是由于外界溶液浓度太高，导致植物的叶肉细胞失水，影响了叶肉细胞的代谢，使细胞光合速率下降，D正确。
4．(2020·山东济宁一中期初检测)将若干生长状况相同的某植株平均分成6组，设置不同的温度，每组黑暗处理6 h，然后给予适宜白光照射6 h，在暗处理后和光照后分别截取同等面积的叶圆片，烘干称重，获得下表数据。请根据表中数据分析，下列有关说法正确的是( )
A．若每天交替光照、黑暗各12 h，则30 ℃时该植物积累的有机物最多
B．若昼夜不停地光照，则25 ℃时为该植物生长的最适宜温度
C．若将实验中白光突然改为强度相同的红光，则短时间内，植株叶绿体中C3含量上升
D．该实验结果由于缺乏黑暗处理前的叶圆片的干重数据，故无法得出呼吸量的数据
解析：选D。每天交替光照、黑暗各12 h，该植物积累的有机物应为光照时积累的有机物减去黑暗中消耗的有机物，设处理前叶圆片干重为X mg/dm2，则各温度下X mg/dm2与黑暗后叶圆片干重的差值代表呼吸作用消耗的有机物，光照后叶圆片干重与黑暗后叶圆片干重之差代表光照时积累的有机物，25 ℃时该植物积累的有机物为光照时的积累量－黑暗时的消耗量＝V净·t光－V呼·t暗＝eq \f(6.75－3.50,6)×12－eq \f(X－3.50,6)×12＝13.5－2X，同理，30 ℃时该植株积累的有机物量为13－2X，因此25 ℃时该植物积累的有机物最多，A错误，D正确；昼夜不停地光照，设时间为t，30 ℃时光照时积累的有机物最多，即有机物积累量＝V净·t＝eq \f(6.50－2.75,6)×t＝eq \f(3.75t,6)，同理，25 ℃时有机物积累量为eq \f(3.25t,6)，25 ℃不是该植物生长的最适宜温度，B错误；红光有利于光反应产生较多的ATP、[H]，利于C3的还原，将实验中白光突然改为强度相同的红光，则短时间内，植株叶绿体中C3的含量下降，C错误。
5．将某株植物置于CO2浓度适宜、水分充足、光照强度合适的环境中，测定其在不同温度下的光合作用强度和细胞呼吸强度，得到如图所示的结果。下列叙述错误的是( )
A．若每天的日照时间相同，则该植物在15 ℃的环境中积累有机物的速率最快
B．若每天的日照时间少于12 h，相比于5 ℃，该植物在25 ℃环境中生长更快
C．若每天的日照时间为12 h，则该植物在35 ℃环境中无法生存
D．由图可知，在一定的温度范围内，温度变化对该植物的细胞呼吸可能没有影响
解析：选B。要判断植物有机物积累的速率是否最快，则需要判断植物的净光合速率是否最大，净光合速率＝光合速率－呼吸速率，分析题图可知，15 ℃时该植物的净光合速率最大，故该植物在15 ℃时积累有机物的速率最快，A正确。设每天光照时间为x小时，则5 ℃时，一昼夜积累的有机物为Y1＝4x－1×24, 25 ℃时，一昼夜积累的有机物为Y2＝6x－2×24，则光照12 h时，Y1＝Y2。若x>12，Y1